芯片级光频梳，关键突破

加州理工学院的科学家们开发出了一种在芯片尺度上制备光频梳的新方法。光频梳是高精度计时与测距设备中的核心工具，这一进展将使其更容易集成到光学器件中，也更便于在实验室以外的场景实际使用。

这项新研究证实了一类被称为拓扑孤子的稳定光脉冲的实用价值。拓扑孤子此前仅在理论上被预测，但直到现在才得到深入探索。由加州理工学院电气工程与应用物理学教授 Alireza Marandi 领导的科学家团队，在《自然》期刊上发表了他们的研究成果。

光频梳是一类光源，能够发射出由许多等间距频率组成、如同精密标尺一般的 “梳状” 光谱。在过去三十年里，它们已成为光谱学、通信乃至天文研究中的重要工具。目前，大多数光频梳光源依赖体积庞大的桌面式激光系统。这项新研究表明，将电泵浦激光二极管与具有强非线性的光子芯片集成，即可作为光频梳光源。“我们的新方法让我们得以探索一条完全不同的路径，”Marandi 说，“它有望规避我们在用其他片上方案产生光频梳时所遇到的诸多难题。”

二阶非线性的作用

在常规线性光学中，材料或器件（例如眼镜镜片）对入射光的电场响应是成比例的。换句话说，进入器件的频率与输出频率相同。与之相反，在涉及非线性时，材料的响应不再成比例。为理解这一概念，可以类比另一种非线性响应：音频失真。吉他放大器音量调得较低时仍能发出纯净音色，但调得过高时，听者就会听到原本声音中不存在的谐波与泛音，也就是失真。

类似地，在非线性光学材料中，当光强足够高时，材料中的电子随光电场偏移的程度不仅与场强成正比，还会与场强的平方或立方相关。这些效应是产生光频梳的关键，对应物理学中所说的二阶非线性与三阶非线性。

在许多芯片级系统中，光频梳依赖三阶非线性。尽管这种效应存在于所有光学材料中，但通常弱于二阶非线性。因此，需要超高品质谐振腔：将光束缚在腔内循环足够长时间，以积累足够的非线性响应并产生光频梳。

制备这类高品质谐振腔需要极为严苛的工艺条件。此外，材料特性也对可产生光频梳的波长范围施加了严格限制。

加州理工学院研制的一种名为简并光学参量振荡器（DOPO） 的新器件，转而利用了铌酸锂材料中更强的二阶非线性，从而放宽了诸多限制。二氧化硅、硅、氮化硅等常用于集成光子学的材料，均不具备这种强二阶非线性。得益于这种强非线性，谐振腔无需长时间束缚光即可实现非线性响应，这意味着工艺更易实现、品质因子更低的谐振腔就足以产生所需的非线性效应。

光场中的拓扑转变

DOPO 能够实现光频转换：从某一频率的入射光出发，产生频率为其一半的信号光。具体而言，输出的信号光在电场振荡中只存在两种可能的相位（状态）：0 或 π，也可记作 +1 或 −1。信号场倾向于以振幅为 +1 或 −1 的连续波形式存在。

“这就像求平方根，”Marandi 说，“1 的平方根既可以是 +1，也可以是 −1。这是 DOPO 的一个基本特性，已在许多不同场景中被观测到。”

Marandi 表示，尚未被观测到、但理论已预测的现象是：DOPO 可以在 +1 与 −1 两种状态共存 的模式下工作。当这种情况发生时，两种状态在过渡区域（零点）相接，形成暗脉冲，即在原本连续的光场中出现一个陡峭的凹陷。这种连接边界携带拓扑荷，意味着其位置被锁定。物理学家将这种结构称为拓扑孤子，它是一种稳定结构，即使存在微小扰动也能保持存在。

上世纪 90 年代，科学家已观测到空间域的拓扑孤子，即两种相反相位的状态在输出光束中并排存在。而本研究首次在实验上实现了时域中的拓扑孤子：DOPO 腔内的光场在每一圈循环中，一部分时间处于 +1 态，另一部分时间处于 −1 态。

加州理工学院的科学家们证实，这些暗脉冲的持续时间约为 60 飞秒（1 飞秒为一千万亿分之一秒），对应形成了宽谱光频梳。

“得益于 DOPO，这种拓扑光频梳在入射光一半的频率下形成，” 加州理工学院博士后学者 Nicolas Englebert 说。他与现任职于苏黎世联邦理工学院的 Robert M. Gray 博士同为该研究的主要作者。

“这一点尤其令人振奋，因为它让我们可以利用成熟的近红外集成激光器，在难以实现的中红外波段产生光频梳，”Englebert 补充道。

该团队还通过将电驱动激光二极管直接耦合到 DOPO 芯片，验证了全集成光频梳光源的概念可行性。实验同时实现了双孤子梳态与孤子晶体态，即腔内存在多个孤子（本研究中为 16 个等间距暗脉冲）。

“关于这些拓扑孤子态在 DOPO 内部如何形成与演化，仍有许多问题有待研究，”Marandi 说，“我们下一步将进一步表征其行为，并探索光频梳光源之外的潜在应用。”